劉曉豐　何欣　張凱

摘要：針對(duì)焊接工藝應(yīng)用于高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料的不成熟性研究了焊接工藝應(yīng)用于航天遙感器機(jī)身結(jié)構(gòu)的的穩(wěn)定性。根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)公差分析結(jié)果和機(jī)身的結(jié)構(gòu)形式，提出了通過運(yùn)用經(jīng)緯儀和三坐標(biāo)測量機(jī)測量角量和線量的驗(yàn)證原理，論證了膠接工藝的可行性。對(duì)機(jī)身進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)，標(biāo)定了實(shí)驗(yàn)前后各測點(diǎn)的角度以及距離，對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，機(jī)身最大轉(zhuǎn)角俯仰方向?yàn)?.1″，方位方向?yàn)?.3″，機(jī)身三個(gè)方向的最大距離變化分別為0.034 mm，0.044 mm，0.034 mm，焊接工藝應(yīng)用于高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)為轉(zhuǎn)角小于5″，距離公差±0.05 mm的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料； 焊接； 穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)： V 45 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.009

Abstract：As for the immaturity of the weld technology applied to the high volume fraction SiC/Al composites， the stability of the space remote sensor skeleton construction was studied. According to the findings of the tolerance analysis of optical deign and structures， the verification of measuring angle and linearity using threecoordinate measuring machine and theodolite was proposed. The feasibility of cementing technology was demonstrated. By the thermal cycling test of frame， the angel and the distance of measuring point were calibrate. The calibrated data was compared. The results show that the torsional angel of the frame is 2.1″ in pitch， 2.3″ in azimuth， and the changes of the distance in the three directions are 0.034 mm， 0.044 mm and 0.034 mm， which can meet the technical requirements of torsional angel smaller than 5″ and the distance tolerance of ±0.05 mm.

Keywords： high volume fraction SiC/Al compound material； welding； stability

引 言

在空間對(duì)地遙感領(lǐng)域，為了提高空間遙感相機(jī)等大型光學(xué)遙感系統(tǒng)的分辨率，通常采用長焦距和大相對(duì)孔徑的全反式或折反式光學(xué)系統(tǒng)[13]。

高分辨率離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)具有大口徑、長焦距、大視場和結(jié)構(gòu)非對(duì)稱等特點(diǎn)，使得離軸反射式光機(jī)系統(tǒng)相機(jī)機(jī)身尺寸較大，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了很大的困難[4]。受尺寸和質(zhì)量的制約，尋求高比剛度、低線脹系數(shù)的材料已成為迫切需求。高體積分?jǐn)?shù)SiC鋁基增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高尺寸穩(wěn)定性、低膨脹系數(shù)優(yōu)異的綜合性能，在常用的空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用材料中，高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料的綜合品質(zhì)因數(shù)最好[56]，因此在空間相機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

基于高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料的優(yōu)越的機(jī)械性能以及優(yōu)良的物理性能，某航天相機(jī)光機(jī)系統(tǒng)的主支撐結(jié)構(gòu)的材料采用了高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al復(fù)合材料，光學(xué)系統(tǒng)是四反結(jié)構(gòu)形式的新型超大視場離軸光學(xué)系統(tǒng)，相機(jī)機(jī)身由若干件高體積分?jǐn)?shù)SiC/Al材料構(gòu)件焊接而成。目前采用該材料并按此工藝研制的相機(jī)機(jī)身在航天項(xiàng)目上還未有成功應(yīng)用的先例?？紤]到機(jī)身的加工工藝，單框加工切屑量大，組合焊接次數(shù)多，焊接過程的加熱和冷卻循環(huán)過程和異種材料熱膨脹系數(shù)的差異等諸多因素必然會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，而殘余應(yīng)力往往是造成結(jié)構(gòu)最終破壞的主要原因[7]。因此，必須對(duì)機(jī)身的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行充分驗(yàn)證，以滿足相機(jī)成像要求。

主框架拆分成4個(gè)零件，分別為前框、后框、左側(cè)板和右側(cè)板。各組成零件均設(shè)計(jì)成薄壁加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，在各單件加工時(shí)，由于直接采用鍛料進(jìn)行加工，切削量比較大，需進(jìn)行多次熱處理消除切削應(yīng)力。在各單件加工完成后，將各個(gè)零件通過焊接組合成一個(gè)整體。主框架拆分成4個(gè)零件，分別為前框、后框、左側(cè)板和右側(cè)板。各組成零件均設(shè)計(jì)成薄壁加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，在各單件加工時(shí)，由于直接采用鍛料進(jìn)行加工，切削量比較大，需進(jìn)行多次熱處理消除切削應(yīng)力。在各單件加工完成后，將各個(gè)零件通過焊接組合成一個(gè)整體。

2 機(jī)體殘余應(yīng)力分析

機(jī)身的各框采用的材料為高體積分?jǐn)?shù)碳化硅增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，焊料為鋁合金，焊接工序由哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接技術(shù)與工程系完成。機(jī)身結(jié)構(gòu)在焊后經(jīng)過若干次溫度時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效，可以有效的減少殘余應(yīng)力。時(shí)效后用X光衍射法測機(jī)身上焊縫附近的殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力測量平均差值如表1所示。

3 機(jī)身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗(yàn)證

在相機(jī)機(jī)身主要位置如焊縫附近、反射鏡連接面邊緣等處貼上小平面鏡。光學(xué)環(huán)氧膠完全固化后，按照上述原理和方法對(duì)小平面鏡間的相對(duì)轉(zhuǎn)角以及角點(diǎn)距離進(jìn)行了一次測量，然后進(jìn)行了熱循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件按照相機(jī)方案設(shè)計(jì)給出的指標(biāo)，熱循環(huán)試驗(yàn)后，穩(wěn)定一段時(shí)間后，再進(jìn)行一次轉(zhuǎn)角和距離的測量，把試驗(yàn)前后的兩次結(jié)果進(jìn)行比較，得出試驗(yàn)前后小平面鏡間的角度和距離變化。多次試驗(yàn)后，通過比較小平面鏡間夾角和角點(diǎn)距離的變化來評(píng)價(jià)機(jī)身上相應(yīng)的點(diǎn)的變化情況，以說明機(jī)身的穩(wěn)定性。

3.1 驗(yàn)證原理

對(duì)于角度的驗(yàn)證，在框架的各個(gè)部分貼上若干小平面鏡，使用的膠為光學(xué)環(huán)氧樹脂膠。通過檢測試驗(yàn)前后小平面鏡的轉(zhuǎn)角的變化來推出框架上貼小平面鏡的相應(yīng)的點(diǎn)的變形情況。檢測轉(zhuǎn)角的檢測設(shè)備使用兩臺(tái)0.5 s萊卡經(jīng)緯儀。前后框和側(cè)框的檢驗(yàn)原理如圖2和圖3所示。

對(duì)于線量的檢測，光學(xué)系統(tǒng)中各反射鏡的的公差要求為Δ=±0.05 mm。相機(jī)在經(jīng)歷若干次試驗(yàn)后反射鏡相對(duì)位置變化必須處在給定的公差帶內(nèi)，驗(yàn)證機(jī)身在三個(gè)方向的尺寸穩(wěn)定性使用的檢測工具是三坐標(biāo)測量機(jī)。

3.2 膠接工藝的可行性論證

檢測方法的可行性是保證檢測過程有意義以及檢測結(jié)果具有高可信度的前提。在機(jī)身驗(yàn)證的過程中，考慮到熱試驗(yàn)可能引起膠的流動(dòng)引起不穩(wěn)定的因素，以及溫度引起小平面鏡變形，所以對(duì)膠接工藝進(jìn)行了可行性論證。為驗(yàn)證光學(xué)環(huán)氧樹脂膠的穩(wěn)定性做的試驗(yàn)工裝如圖4所示。小平面鏡直徑為25 mm，小平面鏡用光學(xué)環(huán)氧樹脂膠粘在鏡座上，基準(zhǔn)鏡用螺釘固定在鏡座上。膠完全固化后，把鏡座放在熱循環(huán)試驗(yàn)箱中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-10～50 ℃，實(shí)驗(yàn)前后分別測量小平面鏡和基準(zhǔn)鏡之間的夾角，如表2所示。

由于基準(zhǔn)鏡用螺釘固定，受溫度的影響非常小，可以忽略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)前后，由光學(xué)環(huán)氧樹脂膠引起的小平面鏡轉(zhuǎn)角變化最大為0.5″，可以認(rèn)為光學(xué)環(huán)氧樹脂膠應(yīng)用于Φ25口徑、厚度10 mm小平面鏡是穩(wěn)定的。

4 驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)機(jī)身進(jìn)行了4次試驗(yàn)，周期為6個(gè)月，試驗(yàn)完成后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理。機(jī)身上總共有13個(gè)小平面鏡。俯仰和方位角的相對(duì)變化如圖5所示。

4次實(shí)驗(yàn)前后，俯仰方向轉(zhuǎn)角的變化Δθ=2.1″，方位方向轉(zhuǎn)角的變化Δφ=2.3″，滿足單框的最大轉(zhuǎn)角δmax<5″的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

針對(duì)焊接工藝應(yīng)用于大尺寸離軸三反相機(jī)存在焊接應(yīng)力和殘余應(yīng)力較大的問題，本文提出了驗(yàn)證相機(jī)機(jī)身尺寸穩(wěn)定性的一種方法；并對(duì)各檢測環(huán)節(jié)的精度進(jìn)行了系統(tǒng)的論證；驗(yàn)證結(jié)果表明，對(duì)于本文中的機(jī)身結(jié)構(gòu)，材料采用高體分鋁基復(fù)合材料，連接工藝采用焊接的形式，能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)為轉(zhuǎn)角<5″，距離<0.05 mm的設(shè)計(jì)要求。

采用本文的檢測方法，可以對(duì)大尺寸航天遙感器機(jī)身的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。焊接工藝應(yīng)用于高體分鋁基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)件連接中，焊接構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性能夠得到保證，該種工藝形式能夠?yàn)楦唧w分鋁基復(fù)合材料應(yīng)用于大型航天遙感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳維春，王海星.大型三反離軸相機(jī)熱控設(shè)計(jì)及在軌飛行驗(yàn)證[J].光學(xué)儀器，2015，37（2）：116121，131.

[2]楊會(huì)生，張銀鶴，柴方茂，等.離軸三反空間相機(jī)調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].光學(xué) 精密工程，2013，21（4）：948954.

[3]郭疆，邵明東，王國良，等.空間遙感相機(jī)碳纖維機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].光學(xué) 精密工程，2012，20（3）：571578.

[4]張雷，賈學(xué)志.大型離軸三反相機(jī)桁架式主支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].光學(xué) 精密工程，2009，17（3）：603608.

[5]任建岳，陳長征，何斌，等.SiC和SiC/Al在TMA 空間遙感器中的應(yīng)用[J].光學(xué) 精密工程，2008，16（12）：25372543.

[6]沙巍，陳長征，許艷軍，等.離軸三反空間相機(jī)主三鏡共基準(zhǔn)一體化結(jié)構(gòu)[J].光學(xué) 精密工程，2015，23（6）：16121619.

[7]程軍.SiC/Al板的焊接殘余應(yīng)力分析[J].力學(xué)季刊，2011，32（1）：117123.

（編輯：張 磊）